CN102738813B - 中性点非有效接地方式电力系统中的电压控制方法 - Google Patents

Abstract

一种中性点非有效接地方式电力系统中的电压控制方法。通过在系统中性点注入幅值和相位分别可调的工频电流，调整和控制系统三相对地电压和零序电压。该技术可以在小电流接地故障点熄弧后，延缓三相电压和零序电压恢复程度和恢复速度，给故障点绝缘恢复提供充足时间，以降低电弧重燃概率、提高故障自恢复（自愈）概率。该技术也可以在系统正常运行时，消除因线路不换位或换位不完全等三相对地参数不平衡原因引起的不平衡电压。该技术可以借助独立装置实现，也可以借助小电流接地故障全电气量补偿的有源补偿装置平台实现。该技术作为智能配电网主要技术措施，可显著提高中压配电网电能质量和故障自愈水平。

Description

中性点非有效接地方式电力系统中的电压控制方法

技术领域

中性点非有效接地方式电力系统中的电压控制方法，本发明涉及非有效接地（中性点不接地、经消弧线圈接地、高阻接地或全电气量补偿有源接地等）电力系统中三相对地电压和零序电压调整和控制方法。

本发明尤其涉及非有效接地电力系统中单相接地故障点熄弧后系统电压恢复程度和恢复速度调整和控制方法。

本发明尤其涉及非有效接地电力系统中正常运行时因线路对地参数不平衡原因引起的不平衡电压调整和控制方法。

背景技术

我国10-66kV中压配电网中性点多采用非有效接地方式，俗称小电流接地方式，传统上主要包括不接地、经消弧线圈接地和经高阻接地等三种方式，现在也包括基于有源电力电子设备、可实现接地故障电流无功分量、有功分量等全电气量补偿的有源接地方式。

非有效接地系统发生单相接地故障（俗称小电流接地故障）时，故障电流小（一般为几十安培以内）、不需要立即遮断故障，系统可带故障运行一段时间。由于故障电流得到限制，多数小电流接地故障在故障电流过零瞬间电弧可以自然熄弧。熄弧之后，如果电弧绝缘的恢复速度低于故障相电压的上升速度，则故障点再次被击穿形成间歇性接地故障，周而复始最终形成永久接地故障，且容易形成弧光过电压；如果电弧绝缘的恢复速度超过故障相电压的上升速度，故障点将不再重燃使系统恢复正常运行，形成瞬时性接地故障。瞬时性接地故障不对用户供电产生任何影响，属于无缝自愈，同时也可以避免或减小弧光过电压的产生，是单相接地故障发展的理想方式。

在不接地系统中，熄弧后系统电压瞬间恢复且叠加有直流分量（考虑电压互感器等对地阻抗时，为衰减的直流分量），其恢复电压远大于正常工作电压，如图1所示。即使在零序回路中附加阻尼电阻也只能降低电弧重燃过电压水平而不能防止电弧重燃。经消弧线圈接地系统中，熄弧后消弧线圈对系统电压的恢复过程有一定抑制作用，但也属于系统自然特性，不能人为控制，一般在几个周波内系统电压即可恢复，如图2所示。如果消弧线圈补偿度偏差较大，还容易产生拍频现象使得电压恢复过程加快且大于工作电压。

正常运行时，非有效接地系统的中性点电压（即系统零序电压）也是可浮动的，其电压大小和相位取决于三相对地分布电容大小以及消弧线圈电感量等参数。当系统中性点电压浮动时，三相对地电压也随之变化，即出现不平衡电压。同时，配电架空线路一般不换位或很少换位，单相电缆线路也会出现三相线路长度、型号不一致等现象，这些问题均会产生三相不平衡电压。当系统不平衡电压较大时，将影响系统电压质量，严重时将产生虚拟接地故障现象。

因此，现场迫切需要在单相接地故障恢复后以及正常运行时，可对系统电压进行大范围、快速、动态调整和控制的技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种适用于中性点非有效接地方式电力系统，在小电流接地故障点熄弧后可以控制系统三相对地电压和零序电压恢复程度和恢复速度，以减少电弧重燃概率、提高故障自恢复概率；也可以在系统正常运行时消除三相对地参数不平衡原因引起不平衡电压，提高系统电压质量；易于实现、成本低廉的系统三相对地电压和零序电压的大范围、灵活、动态调整和控制方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：根据系统三相对地电压和零序电压间的幅值、相位关系，通过系统变压器中性点或接地变压器形成的中性点，利用有源电力电子设备注入工频电流，调整和控制系统电压变化，直到其达到期望的状态，中性点非有效接地方式电力系统中的电压控制方法其特征在于：通过在系统中性点注入幅值和相位分别可调的工频电流，调整和控制系统三相对地电压和零序电压。

根据调节控制目的和采取控制策略的不同，在中性点非有效接地系统中单相接地故障点熄弧后，通过在系统中性点注入幅值和相位分别可调的工频电流，控制系统三相对地电压和零序电压恢复程度和恢复速度，延缓系统电压恢复速度，在一定时间内保持三相电压的不平衡状态，以减少电弧重燃概率、提高故障自恢复概率；

而在中性点非有效接地系统正常运行时，通过在系统中性点注入幅值和相位分别可调的工频电流，消除因线路不换位或换位不完全等对地参数不平衡原因引起的系统不平衡电压，提高系统电压质量。在上述调整和控制过程中，系统三相对地电压和零序电压尽管会改变，但三相间的线电压不变，不影响系统正常运行和供电。

通过改变注入系统中性点工频电流的相位，改变系统三相电压中各相电压的变化趋势；

而通过改变注入系统中性点工频电流的幅值，改变系统三相电压和零序电压调整幅度。

相对于系统零序电压，注入中性点的工频电流可分为工频有功电流和工频无功电流两部分。

注入中性点工频无功电流幅值可小于等于正常运行时系统三相线路对地电容电流算术和，即不超过系统不接地方式时单相金属性接地的故障电流；

而注入中性点工频有功电流幅值可小于等于系统单相金属性接地时零序回路的有功损耗电流。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

本发明通过在系统中性点注入很小的电流（无功电流一般可不超过100A、有功电流一般可不超过10A），即可实现系统三相对地电压间相对关系以及零序电压的调整，降低成本。且可按照不同调整目标，采取不同控制策略，实现系统电压的大范围、灵活、快速、动态调整。特别是在小电流接地故障熄弧后可以任意抑制系统电压恢复程度和恢复速度，减少电弧重燃概率、提高故障自恢复概率；在系统正常运行时消除因路不换位或换位不完全等路不换位或换位不完全等三相对地参数不平衡引起的系统不平衡电压，提高系统电压质量。这是其它任何电压调整方法所不具备的。

该技术可以借助独立装置实现，也可以借助小电流接地故障全电气量补偿的有源补偿装置平台实现。该技术作为智能配电网主要技术措施，可显著提高中压配电网电能质量和故障自愈水平。

本发明技术可纳入智能配电网的自愈技术范畴。

附图说明

图1为不接地系统中接地故障熄弧后系统电压恢复示意图；

图2为消弧线圈接地系统中接地故障熄弧后系统电压恢复示意图；

图3为基于纯电力电子技术的电流注入设备示意图；

图4为结合消弧线圈和电力电子技术的混合型电流注入设备示意图；

图5为通过Y型结构变压器中性点注入电流的示意图；

图6为通过接地变压器中性点注入电流的示意图；

图7为接地故障熄弧后经过中性点注入有功电流和无功电流时系统电压恢复示意图；

图8为接地故障熄弧后经过中性点注入有功电流和无功电流时的极端情况——系统电压不再恢复的示意图；

图9为通过中性点注入电流后消除系统三相不平衡电压的示意图；

图10为通过中性点注入电流后消除系统不平衡电压时的零序电压示意图。

图1-10是本发明的最佳实施例。

其中：1有源电流注入 2消弧线圈 3变压器 4接地变压器。

具体实施方式

下面结合附图1-10对本发明中性点非有效接地方式电力系统中的电压控制方法做进一步说明。

参照图1-10：

本发明的电力系统三相对地电压、零序电压调整和控制方法，可以应用在不同电压等级的非有效接地系统中。可以用来实现小电流接地故障熄弧后系统电压恢复程度和恢复速度的控制，以及消除正常运行时因三相对地参数不平衡原因引起的系统不平衡电压。其具体实现过程为：

1.确定工频电流注入设备

由于注入系统中工频电流的幅值和相位要求任意可调，只有有源注入设备才能满足要求。可在静止无功补偿器（STATCOM）、动态电压调节器（DVR）等电力系统广泛应用的电力电子设备基础上，进一步设计单纯有源注入设备。考虑到注入电流中无功分量较大，而传统消弧线圈在零序电压作用下可以向系统注入无功电流，也可以结合消弧线圈和电力电子设备共同实现电流注入。

（1）单纯的电力电子型电流注入设备

如图3所示，以STATCOM、DVR等电力电子设备为基础，设计单纯的有源电流注入设备。该有源设备可以产生任意波形的注入电流，可实现所有需要的工频无功电流、工频有功电流、谐波电流甚至暂态电流注入。

有源注入设备的容量设计应满足电压控制的应用要求。其产生的工频无功电流应大于正常运行时系统三相线路对地电容电流的算术和，即大于系统不接地方式时单相金属性接地的故障电流；而产生的工频有功电流应大于系统单相金属性接地时零序回路的有功损耗电流；产生的谐波电流应大于单相接地故障时故障电流中的谐波含量。

（2）传统消弧线圈结合电力电子的混合型电流注入设备

如图4所示，以传统消弧线圈为基础，结合STATCOM、DVR等电力电子设备，进一步设计成混合型有源电流注入设备。该有源设备也可以产生任意波形的注入电流，可实现所有需要的工频无功电流、工频有功电流、谐波电流甚至暂态电流注入。

设备工作时，消弧线圈2在系统中性点电压（零序电压）作用下产生并向中性点注入工频无功电流、谐波无功电流。在消弧线圈2参数确定时，其注入的无功电流与中性点电压成正比。电力电子设备则注入所有需要的工频有功电流、谐波有功电流、暂态电流以及部分工频无功电流、谐波无功电流。

由于注入电流的绝大部分为工频无功电流，而大部分无功电流是无源设备消弧线圈2产生的，有源电力电子设备的容量要远远小于单纯有源设备时的容量。

2.确定工频电流注入设备接入系统的方式

本发明内容需要向系统中性点注入零序电流，根据一般配电系统的结构，可以有以下两种注入方法。

（1）接入低压侧Y型结构变压器的中性点

如图5所示，如果配电网电源变压器3的低压侧结构为Y型绕组，则可以将电流注入设备直接接入其中性点，并通过该中性点注入所需电流。

无论是单纯的电力电子型电流注入设备还是混合型电流注入设备，均可以接入电源变压器中性点。

（2）接入接地变压器产生的中性点

如图6所示，由于大部分配电网变压器的低压侧结构为△型绕组，不存在中性点。因此，需要在母线上接入特殊设计的接地变压器4产生一个附加的系统中性点，再将电流注入设备接入该中性点并注入所需电流。

无论是单纯的电力电子型电流注入设备还是混合型电流注入设备，均可以接入接地变压器的中性点。

3、系统状态识别

有源电流注入设备在工作时，实时监测系统三相电压和零序电压变化，根据电压变化并结合系统其它电气量判断系统状态。

单相接地故障时（即故障点电弧导通状态下），系统在强迫状态下运行，系统三相电压和零序电压由故障性质决定、处于稳定状态。根据故障点过渡电阻不同，系统中性点电压（零序电压）在0到相电压之间变化。

当接地故障电弧熄灭断开后，系统失去外部约束条件，其电压由正常运行时的稳态电压和零序回路中的电感（电压互感器电感及可能的消弧线圈电感）与线路对地电容之间的自然震荡电压叠加而成，电压恢复过程取决于系统参数。故障相恢复电压u_r可以近似表示为：其中：U_m为相电压幅值，ω为工频角频率，v为系统失谐度，d系统阻尼率。

正常运行时，由三相对地参数不平衡，如三相线路不换位或换位不完全等，引起的系统三相对地电压不平衡状态会同时伴随零序电压出现，且电压不平衡度在系统内基本相同。而由系统不对称负荷等引起的不平衡无功电流产生的不平衡电压不会伴随零序电压出现，且电压不平衡度沿线路产生较大变化。

根据上述电压特征，可以识别系统所处状态。

4、计算调整和控制参量

对于小电流接地故障熄弧后的电压恢复控制，主要目的是延缓三相对地电压和零序电压的恢复程度和恢复速度，即尽量保持三相电压在接地故障时的不平衡状态。因此，通过中性点注入系统的电流应能够替代接地点故障电流的作用，包括故障电流中的工频无功电流、工频有功电流和谐波电流等。当注入电流正比与接地点故障电流时，三相电压和零序电压则不同程度恢复。极端情况下，当注入电流等于接地点故障电流时，三相电压和零序电压则不再恢复、维持接地故障时状态。因此，通过调整注入中性点电流的幅值、相位等，即可控制系统电压的恢复程度和恢复速度。

而对于正常运行时三相对地参数不平衡引起的不平衡电压恢复控制，主要目的是消除三相对地电压的不平衡程度，使其恢复平衡状态。因此，通过中性点注入系统的电流应与平衡状态下系统自身的零序电流相反，包括零序电流中的工频无功电流、工频有功电流和谐波电流等。当注入电流正比与系统自身零序电流时，三相电压不平衡程度将按逐步恢复。理想情况下，当注入电流幅值等于系统自身零序电流时，三相电压将完全恢复。因此，通过调整注入中性点电流的幅值、相位等，即可实现系统不平衡电压的恢复。

5、实现电压调整和控制

电压调整和控制方法可以分为开环控制和闭环控制。

开环控制方法中，按照不同的电压调整目的和控制策略，计算好需要向系统注入的电流幅值和相位等参量，通过有源设备向系统中性点注入相应的电流，即可达到电压调整和控制的目的。受电压电流互感器误差、模型精度等影响，开环控制方法的误差较大。

闭环控制方法中，按照不同的电压调整目的和控制策略，计算好需要向系统注入的电流幅值和相位等参量，通过有源设备向系统中性点注入相应的电流。再跟踪系统电压变化过程，并及时调整注入电流的幅值和相位等参量，从而达到电压调整和控制的目的。相比于开环控制方法，闭环控制方法的误差可以显著减小。

实施例1

1、小电流接地故障熄弧后系统电压恢复控制

对于非有效接地系统，利用本发明内容可以在小电流接地故障点熄弧后抑制三相电压和零序电压的恢复程度和恢复速度，给故障点电弧绝缘以充足的恢复时间，从而降低电弧重燃概率，提高单相接地故障的自恢复（自愈）水平。

其实现步骤如下：

（1）确定工频电流注入设备

电流注入设备既可以是单纯的全电力电子型设备，也可以是传统消弧线圈2结合电力电子的混合型设备。

（2）确定工频电流注入设备接入系统的方式

根据系统结构，电流注入设备可以接入低压侧Y型结构变压器3的中性点，也可以接入接地变压器4产生的中性点。

（3）系统故障状态识别

根据系统三相电压和零序电压变化并结合系统补偿电流信息，识别系统是否处于单相接地故障状态，并实时监测故障点电弧是否熄灭。

（4）计算调整和控制量

在故障点熄弧后，根据期望的系统电压恢复程度和恢复速度，计算所需注入的零序电流幅值和相位等参量。

（5）实现电压调整和控制

为了提高电压控制精度，一般采用闭环控制方式。即，通过有源电流注入设备向系统中性点注入所需电流后，根据系统电压变化过程，及时调整注入电流的幅值和相位等参量，以使系统电压按照所期望的速度恢复。

在故障点熄弧后，相比于不接地系统的电压恢复过程（如图1所示）和经消弧线圈接地系统的电压恢复过程（如图2所示），通过注入零序电流的电压控制可以使系统三相电压缓慢恢复（如图7所示），极端情况下可以使三相电压保持在金属性接地故障时的状态（如图8所示）。

实施例2

2、正常运行时消除系统三相不平衡电压

对于非有效接地系统，当三相线路对地参数不平衡时，可以引起电压不平衡并伴随零序电压。利用本发明内容可以消除这种类型的不平衡电压，提高电能质量。

本示例可以和接地故障熄弧后系统电压恢复控制共用相同的装置平台。

其实现步骤如下：

（1）确定工频电流注入设备

电流注入设备既可以是单纯的全电力电子型设备，也可以是传统消弧线圈结合电力电子的混合型设备。

（2）.确定工频电流注入设备接入系统的方式

根据系统结构，电流注入设备可以接入低压侧Y型结构变压器的中性点，也可以接入接地变压器产生的中性点。

（3）系统故障状态识别

根据系统三相电压和零序电压变化，识别系统电压是否处于不平衡状态，确定不平衡状态是否由三相对地参数不平衡所引起。

（4）计算调整和控制量

对于由三相对地参数不平衡所引起的不平衡电压，计算所需注入的零序电流幅值和相位等参量。

（5）实现电压调整和控制

为了提高电压控制精度，一般采用闭环控制方式。即，通过有源电流注入设备向系统中性点注入所需电流后，根据系统电压变化过程，及时调整注入电流的幅值和相位等参量，直到系统电压恢复正常或消除对地参数不平衡所引起的系统不平衡因素。

通过本发明所提的电压控制方法，可以消除三相对地参数不平衡所引起的三相不平衡电压（如图9所示）和零序电压（如图10所示）。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.中性点非有效接地方式电力系统中的电压控制方法，其特征在于：步骤如下：

a、确定工频电流注入设备：单纯的电力电子型电流注入设备、或传统消弧线圈结合电力电子的混合型电流注入设备；

b、确定工频电流注入设备接入系统的方式：接入低压侧Y型结构变压器的中性点、或接入接地变压器产生的中性点；

c、系统状态识别：电流注入设备在工作时，实时监测系统三相电压和零序电压变化，根据电压变化并结合系统其它电气量判断系统状态；

d、计算调整和控制参量：计算所需注入的零序电流幅值和相位；

e、实现电压调整和控制：利用所确定的工频电流注入设备, 通过在系统中性点注入幅值和相位分别可调的工频电流，调整和控制系统三相对地电压和零序电压。

2.根据权利要求1所述的中性点非有效接地方式电力系统中的电压控制方法，其特征在于：

在中性点非有效接地系统中单相接地故障点熄弧后，通过在系统中性点注入幅值和相位分别可调的工频电流，控制系统三相对地电压和零序电压恢复程度和恢复速度；

在中性点非有效接地系统正常运行时，通过在系统中性点注入幅值和相位分别可调的工频电流，消除因线路不换位或换位不完全对地参数不平衡原因引起的系统不平衡电压。

3.根据权利要求1或2所述的中性点非有效接地方式电力系统中的电压控制方法，其特征在于：

通过改变注入系统中性点工频电流的相位，改变系统三相电压中各相电压的变化趋势；

通过改变注入系统中性点工频电流的幅值，改变系统三相电压和零序电压调整幅度。

4.根据权利要求1或2所述的中性点非有效接地方式电力系统中的电压控制方法，其特征在于：相对于系统零序电压，注入中性点的工频电流分为工频有功电流和工频无功电流两部分。

5.根据权利要求4所述的中性点非有效接地方式电力系统中的电压控制方法，其特征在于：

注入中性点工频无功电流幅值小于等于正常运行时系统三相线路对地电容电流算术和；

注入中性点工频有功电流幅值小于等于系统单相金属性接地时零序回路的有功损耗电流。